Transistoren als Schalter

Wir haben den Transistor als Inverter betrachtet:

Natürlich können wir einen Transistor auch über ein logisches Gatter wie 74HC00 oder 4049 ansteuern. Die Basis des Transistors direkt an den Ausgang eines Gatters anzuschließen, ist problematisch, da der Transistor bei einer 1 am Ausgang den Ausgang quasi kurzschließt. Wie bei einer LED muss der Transistor über einen Widerstand mit dem Ausgang verbunden werden.

Das Beispiel zeigt, wie eine höhere Last über einen Transistor an ein logisches Gatter angeschlossen wird. Die LED mit dem 150Ω Widerstand würde einen 74HC00 überlasten. Der Transistor schafft das. Mehr können wir dem Transistor aber nicht zumuten. Er könnte zwar noch höhere Ströme schalten, aber dafür braucht er einen höheren Basisstrom und den muss der 74HC00 liefern. An den Ausgang eines 74HC00 sollte kein Widerstand kleiner als 1kΩ angeschlossen werden. Nach unserer Faustregel dürfen wir also nicht weniger als 100Ω an den Kollektor anschließen. In unserer Schaltung dürfen wir nicht unter 150Ω gehen, da sonst die LED überlastet wird.

Der Transistor Q2 schaltet die Last. Er wird Lastschalter oder Leistungsschalter genannt. Der Transistor Q1 vor dem Leistungsschalter Q2 wird Treiber genannt. Unser Treiber verbraucht etwa ein Zehntel des Stroms des Leistungsschalters.

Darlington-Schaltung

Es gibt noch eine weitere Treiberschaltung, die oft verwendet wird.

Bei dieser sogenannten Darlington-Schaltung ist der Emitter des Transistors Q1 mit der Basis von Q2 verbunden. Die Kollektoren der beiden Transistoren sind gemeinsam mit der Last verbunden. Q1 erzeugt in seinem Kollektor einen Strom, der ein Vielfaches - wir rechnen mit 10 - des Basisstroms beträgt. Dieser Strom fließt zu seinem Emitter und von dort zur Basis von Q2, der wiederum ein Vielfaches davon in seinem Kollektor erzeugt. In unserer Rechnung kann Q2 also 10*10=100 mal so viel schalten, wie in die Basis von Q1 fließt. Das bedeutet, dass Q2 einen Lastwiderstand schalten kann, der 1/100 des Widerstandes R₂ beträgt, also 1000Ω/100=10Ω. Wir haben auch keine Verluste durch den Widerstand R₃, wie in der Schaltung in Bild 3.

Die Darlington-Schaltung wird jedoch häufig einer Treiberschaltung wie in Bild 3 vorgezogen. Es gibt auch sogenannte Darlington-Transistoren, zwei Transistoren in Darlington-Schaltung in einem Gehäuse.

Transistor-Schalter für höhere Spannungen.

Die vorgestellten Schaltungen sind auch für Lasten mit höheren Spannungen geeignet.

Die Schaltungen in Bild 5 zeigen, wie eine Last an eine zweite Spannungsquelle mit 12 V angeschlossen werden kann. Der Minuspol der 12V-Versorgung ist mit dem der 5V-Versorgung verbunden. Zur Verdeutlichung sind die Anschlüsse der Stromversorgung für die Logik-ICs eingezeichnet. Die angegebenen Lastwiderstände dürfen bei 12V nicht unterschritten werden.

Logik und Transistoren

Wir verwenden Transistoren oft als Leistungsschalter hinter logischen Schaltungen. Wir wissen bereits, dass ein Transistor als Inverter fungieren kann. Das müssen wir beim Entwurf der Logik berücksichtigen.

Schauen wir uns an, wie die Schaltungen funktionieren.

Wir betrachten den logischen Zustand am Eingang und am Ausgang. Der Eingang ist R₁. Der Ausgang ist eingeschaltet, wenn die LED leuchtet. Die folgende Tabelle zeigt, ob der Ausgang eingeschaltet ist, wenn am Eingang eine logische 1 (5V) anliegt.

Ausgang der Schaltungen, mit einer logischen 1 (5V) am Eingang

Sättigungsspannung

Bisher sind wir davon ausgegangen, dass Transistoren perfekt schalten.

Bei der Darlington-Schaltung haben wir gesehen, dass am Ausgang immer eine Spannung von etwa 1 V anliegt.

Auch bei einem normalen Transistor als Schalter bleibt eine kleine Spannung zwischen Kollektor und Emitter, wenn der Transistor eingeschaltet ist. Die verbleibende Spannung zwischen Kollektor und Emitter wird als Sättigungsspannung U_CEsat bezeichnet.

In der folgenden Tabelle wird davon ausgegangen, dass der Transistor immer optimal angesteuert wird: Der Basisstrom ist ein Zehntel des Kollektorstroms, I_b=I_c/10.

Sättigungsspannung des BC337

• Die Sättigungsspannung eines Transistors bei maximal zulässigem Kollektorstrom liegt typischerweise bei U_CEsat=1V.

• Bei einem Darlington-Transistor liegt die Sättigungsspannung bei maximalem Strom typischerweise bei U_CEsat=2V bis 3V.

Der 2N7000 ist genügsam und schaltet bereits unter 5V, kann aber kaum einen Widerstand unter 150Ω schalten.

Es gibt auch spezielle Logic-Level-MOSFETs, die direkt an eine 5V-Logik angeschlossen werden können. Für unsere Zwecke gibt es eine ganze Reihe solcher Logic-Level-MOSFETs. Sie können Spannungen von einigen Ampere bis zu 12V treiben. Sie sind meistens in winzigen Gehäusen untergebracht, die wir nicht in unsere Steckboards stecken können. Ein Beispiel ist der IRLML6244. Der 2N7000 ist kein ausgesprochener Logic-Level-MOSFET.

MOSFETs mit höherer Gate-Spannung

Wie bereits erwähnt, müssen MOSFETs häufig mit Gate-Spannungen betrieben werden, die höher sind als die Versorgungsspannung der logischen Schaltung, die sie ansteuert. In diesem Fall ist eine zweite Versorgungsspannung erforderlich. In den meisten Fällen sind 12 V ausreichend.

Die folgende Schaltung bietet sich an, wenn ein MOSFET verwendet werden soll, dessen Gate-Spannung höher ist als die Versorgungsspannung der Logik.

Die Schaltung in Bild 8 kann Standard-MOSFETs ansteuern. Sie ist für unsere Zwecke gut geeignet.

Logik und MOSFET

Wir betrachten auch hier wie das logische Verhalten der Schaltungen ist.

Ausgang der Schaltungen, mit einer logischen 1 am Eingang

Einschalt-Widerstand eines MOSFET

Für MOSFETs wird normalerweise keine Sättigungsspannung angegeben, sondern der Einschaltwiderstand R_DSon.

• Moderne MOSFETs für höhere Ströme haben Einschaltwiderstände um R_DSon=0,1Ω.

• Der IRLML6244 z.B. R_DSon=20mΩ.